页岩隧道超前周边注浆施工技术的应用

李苗苗

（中铁十八局集团有限公司，天津 300350）

0 引言

页岩是一种特殊的地质结构，其强度、承载力、硬度等指标都比较差。 页岩隧道由于围岩结构强度低，一旦受到震动、搓揉等外力的影响，就容易产生滑塌和掉块等自然灾害。 在页岩隧道施工中，存在很多难点，其中最大的施工难点是：在地下水丰富的区域，会出现突水和涌水问题， 致使很多工序无法顺利开展，而且不利于保证施工的安全性。传统管棚支护和超前支护施工技术难以满足页岩隧道的施工要求。

超前预注浆是一种改善围岩结构、 提高围岩整体性和自承能力、降低支护成本、提高支护效果的有效方法。它利用浆液把围岩周围的各种弱面充实，使之重新胶结起来，从而改善围岩的物理力学性能，提高围岩的整体稳定性和抗渗性， 为保障掘进工作面安全、快速推进创造了条件。采用超前周边注浆施工技术，可提前在页岩隧道工程中施加一个围岩支护。这样既能提升围岩的稳定性， 还能有效控制涌水和突水造成的质量问题和安全隐患。 笔者试以郑万高铁湖北段－6 标黄家沟隧道为例，探讨超前周边注浆施工技术的应用，以期供类似工程参考。

1 工程概述

郑万高铁湖北段－6 标黄家沟隧道穿越地层为志留系沙质页岩夹碳质页岩， 右侧为发育区域性断裂层——田家沟大断层。 隧道线路平行于该断层前行，间距为100～300 m。 受该断层影响，隧道范围内岩层产状紊乱，节理裂隙发育，岩体挤压破碎严重，局部地段岩体遇水严重软化，呈泥状，开挖后局部易发生小范围滑塌现象，整体稳定性差。 黄家沟隧道大里程方向开挖后揭示，该区地层岩性为青灰色薄层状沙质页岩，强度低、质软，受田家沟断层及岩层顺层偏压影响，次生褶皱及节理裂隙发育，岩层挤压严重，岩体呈碎屑～碎块状，开挖后严重风化，揉搓易碎，有局部掉块、滑塌现象，围岩自稳能力较差，围岩开挖后，掌子面岩层湿润，在沟谷、褶皱核部存在裂隙水。

2 施工部署

2.1 施工流程

超前周边注浆施工技术的施工流程为： 垫渣回填注浆平台→施作注浆平台段套拱和临时仰拱→施作止浆墙→周边注浆施工→施作检查孔→注浆效果评定→施作大管棚。

2.2 注浆施工机械设备配置

超前周边注浆施工任务量比较大， 为保证各道工序都能有序开展，需提前准备好机械设备。黄家沟隧道工程所需的主要机械设备如表1 所示。

表1 超前周边注浆主要机械配置表Tab.1 Main mechanical configuration of advance peripheral grouting

KR805－2 多功能液压钻机配置了129 kW 道依茨发动机， 动力非常强劲， 最大扭矩可达到27 000 Nm，推进和起拔力可达到100 kN，运行过程也比较稳定。该钻机采用了比较先进的双驱动动力系统，具有同时旋转和冲击的功能。如果配备上合适的钻具，它可适用于各种地质条件钻孔。 将该钻机应用在页岩隧道施工中，可实现钻孔注浆一体化。

2.3 注浆孔、超前中管棚孔位的布设

在进行页岩隧道施工时， 需要在开挖轮廓线之外构成具有一定强度和承载力的稳定固结体， 并用超前管棚进行柔性支护， 以最大限度地提升胶结体的承载力。这需严格按照“注浆挤密、管棚支护”的原则布设注浆孔和超前中管棚孔。

黄家沟隧道工程周边注浆孔布设要点为： 隧道开挖轮廓线以外5 m 区域为注浆加固范围， 共布设了90 个注浆孔，其中A 序孔24 个，B 序孔18 个，C序孔24 个，D 序孔24 个。 A 序孔、B 序孔深度控制在30 m 左右，各孔之间交错布置，间距约108 cm，且孔到初支护面的距离要严格控制在90 cm 左右。C 序孔深度控制在18 m 左右；D 序孔深度控制在12 m左右，也是交叉布设，间距控制在105 cm 左右，但到初期支护面的距离要适当缩小， 最小不能超过40 cm。 A、B 孔和C、D 孔之间的排距应为50 cm 左右。

该工程超前中管棚孔位布置要点为： 在隧道拱部120°范围中布设37 个管棚孔，间距控制在40 cm左右，到初期支护面的距离在20 cm 左右。

3 关键技术分析

3.1 操作平台搭设

超前周边注浆施工需对隧道四周进行全面布孔，为便于施工，需提前搭设操作平台。一般情况下，平台长为10 m，平台底面到初期支护的距离约为5 m，操作平台搭设作业图如图1 所示。

图1 操作平台搭设作业图Fig.1 Erection of operation platform

为满足施工需求， 确保既有支护结构的安全及稳定性，案例工程在D1K472+308～+318 段作业平台施作I20b 套拱和临时横支撑，套拱与临时仰拱的间距约为80 cm，拱墙套拱、拱架、初期支护面之间的空隙用木楔密贴［1］，临时横向支撑采用强度等级为C20 的混凝土密封， 并使混凝土面超出拱架面至少10 cm，且混凝土封闭面到初期支护面的高度为4.7 m。此外，在初期支护以下约65 cm 的位置，环向打设1环直径为22 mm 的钢筋锚杆， 其长度控制在1.5 m左右，打入围岩的深度不能小于1.0 m，并利用锚固剂填充杆体和围岩之间的空隙， 作为止浆墙和掌子面之间的联系筋，环向间距要控制在1.0 m 左右。

3.2 打设注浆孔

根据提前确定好的孔位， 将注浆孔标记在止浆墙上，具体如图2 所示。

图2 止浆墙断面示意图Fig.2 Section of wall for stop grouting

标记好孔位之后，钻机进场，调整钻杆的角度，用Φ130 mm 钻头对准标记点，低速钻进至1.5 m，安装上孔口管。 工程孔口管选取Φ108 mm、δ＝5 mm 无缝钢管加工制作而成，长度为1.5 m。然后，在孔口管的外壁缠绕上长50～80 cm 的麻丝，再用钻机冲击到设计深度，并用水泥基锚固剂机进行锚固，以免孔口管发生渗漏浆液的问题［2］。

3.3 注浆施工

3.3.1 施工原则及顺序

在超前周边注浆施工中， 注浆是非常重要的工序，注浆效果直接关系到工程施工的成败。 因此，为保证施工质量，在进行注浆施工时，应严格遵循“先长后短，先内圈、后外圈”的施工原则，以便实现对注浆区域的严格控制，提升挤密加固效果。黄家沟隧道工程注浆施工顺序为：

（1） 依次施作A1、A3、A5、A7、A9、A23、A21、A19、A17、A15、A13、A11号注浆孔；

（2）依次施作A2、A4、A6、A8、A10、A24、A22、A20、A18、A16、A14、A12号注浆孔；

（3）依次施作B1、B3、B5、B7、B9、B17、B15、B13、B11号注浆孔；

（4） 依次施作B2、B4、B6、B8、B10、B18、B16、B14、B12、B10号注浆孔；

（5） 依次施作C1、C3、C5、C7、C9、C23、C21、C19、C17、C15、C13、C11号注浆孔；

（6） 依次施作C2、C4、C6、C8、C10、C24、C22、C20、C18、C16、C14、C12号注浆孔；

（7） 依次施作D1、D3、D5、D7、D9、D23、D21、D19、D17、D15、D13、D11号注浆孔；

（8）依次施作D2、D4、D6、D8、D10、D24、D22、D20、D18、D16、D14、D12号注浆孔。

3.3.2 注浆工艺及流程

总体采取分段前进式注浆工艺， 无塌孔分段长度控制在5～10 m 之间。 若遇到特殊地质条件，注浆难度大， 采用前进式注浆和后退式注浆相结合的注浆工艺。 注浆结束时的压力一般控制在4～6 MPa 之间，具体可按照现场情况适当调整。

分段前进式注浆的具体步骤为：（1） 分段钻孔（一般在5～10 m）结束后，退出钻杆，安装法兰盘堵头板。法兰盘堵头板与孔口管用螺栓连接牢固，为防止漏浆，中间加入高压钢垫片。 （2）将直径20 mm 注浆芯管焊在法兰盘上，再安装在孔口管法兰盘上，进行注浆。（3）注浆完成后，利用钻杆扫孔，然后钻进至下一段，再次注浆，如此往复，直到设计深度。 （4）最后一段施工完成后，将直径为42 mm 的钢花管嵌入钻孔，使之全部深入孔底，并在尾端连接止浆球阀，同时对孔内压注双液浆进行固结，作为封堵层，然后进行最后一段的注浆作业， 注浆完成后将小导管作为超前锚杆，用以加固掌子面前方围岩。

3.3.3 浆液配置

在配制单液浆时， 浆液水灰比应控制在1∶1～1∶0.8之间。配制浆液时，需提前准备好相应的台秤等计量设备。拌和浆液时，先加入水，再加入水泥，连续搅拌3 min 后，方可投入使用。

在配制双液浆时， 需要先在搅拌筒中加入适量浓度的水玻璃，再加入适量的清水，边加水边搅拌。选择波美度计进行实时测试， 将其配制成350Be 的标准浓度水玻璃液。 使两种浆液充分混合之后进入地层［3］。

3.3.4 注浆

配制好浆液后，要及时完成注浆。 注浆时，先注入单液浆，再注入双液浆；浆液浓度要先稀后浓；注浆量要由大到小；注浆压力要先低后高。当注浆量及注浆压力持续稳定上升时，用1∶1～0.8∶1 的双液浆进行封孔操作，以降低下一阶段扫孔间隔的沙浆。黄家沟隧道工程孔口管注浆状况如图3 所示。

图3 孔口管注浆示意图Fig.3 Diagram of orifice pipe grouting

开始注浆后，若出现注浆压力上升速度非常快，并快速达到6 MPa 以上的现象，可能是因为岩体裂隙比较小，导致进浆速度比较慢。 此时，需要改用低流注浆泵， 连续注入单浆液水泥浆直到完成封孔操作。 如果出现注浆压力比较低，注浆量却比较大，长时间注浆压力不上升的现象， 可能是遇到了溶洞或者其他地质结构。这时，需要及时采取间歇式注浆方法，待注浆压力提升到5 MPa 以上时，立即封孔，并保证停止注浆的时间不超过浆液凝胶的时间。

启动注浆泵之前，需要调节油压到设定刻度上，随着注浆阻力的加大，泵压会随之升高，达到设定值之后，自动停机。 对无法达到预定压力值的注浆，需要在压力达到预定值后，立即打开泄浆阀进行减压。可通过调节注浆机的溢流阀来控制注浆泵流量大小，科学合理地控制注浆机的运行速度［4］。 除此之外，凝胶时间也需要严格控制，主要是通过调换水泥浆、水玻璃的浓度以及水泥浆液与水玻璃的比例，以达到调整双液浆凝胶时间的目的。 为保证凝胶时间满足超前周边注浆施工要求， 浓度或配合比每变换一次，都需实配取样，以确定凝胶时间，并在泄浆接口混合后实际测定注入双液浆的凝胶时间， 以免发生异常情况，影响注浆效果。

3.4 注浆效果评定

在超前周边注浆施工中， 注浆效果评定是决定开挖方案的主要依据。 在案例工程的注浆效果评定中，主要依据钻孔所得地质资料来进行评定，具体做法是，当注浆结束之后，采取分析法来评价注浆后底层浆液填充率，以判断注浆效果；对潜在的薄弱环节钻孔检查，保证检查孔不塌孔，且孔内成像探测成孔性良好，即可判定达到了设计的注浆效果［5］。检测孔位布置不少于5 个，布设在两排注浆孔位之间，距离初始支护面的距离控制在65 cm 左右，其中拱顶中心1 个，拱顶以下2 m 范围之内的边墙、拱脚两侧各1 个，具体的检测孔布置图如图4 所示。

图4 检测孔布置图Fig.4 Layout of inspection holes

3.5 管棚支护

在案例工程施工中，为满足设计要求，沿着隧道拱部120°的范围环向布置了37 根超前管棚。 管棚开孔位置到初期支护面的距离约为20 cm， 间距控制在40 cm 左右，布设深度为30 m。 管棚采用直径为89 mm、壁厚为5 mm 的热轧无缝钢管（每节长4～6 m）加工而成，沿管壁方向呈梅花形对称布设4排直径为6 mm、间距为50 cm 的溢浆孔，每根钢管全部设置溢浆孔［6］。 每段管片之间通过内接头连接，内接头采用直径为76 mm、 壁厚为5 mm 的热轧无缝钢管，长度为60 cm，插入管棚管内30 cm 后，焊接牢固。 管棚长度为30 m。

4 结语

超前周边注浆施工技术具有很强的适应性，可满足不同地质条件下的注浆施工，而且施工质量和效率都比较高。 在整个注浆过程中，要始终保证注浆管道通畅，以提升注浆的连续性。如果注浆段比较长，要进行分段注浆，严禁任意延长分段长度，必要时可重复注浆，以保证注浆质量和效果。一旦遇到浆液跑、冒比较严重的现象，要及时采用间歇式注浆方法，或者调整浆液配置，缩短凝胶时间，提升封堵效果。